Tecnologia Científica

Novo roba´ macio se transforma de um vea­culo terrestre para aanãreo usando metal la­quido
Imagine um pequeno vea­culo auta´nomo que pudesse dirigir por terra, parar e se achatar em um quadrica³ptero. Os rotores comea§am a girar e o vea­culo voa para longe. Olhando mais de perto, o que vocêacha que veria? Que mecanismos fizeram...
Por Virginia Tech - 09/02/2022


Drone capaz de se transformar e dobrar usando metal la­quido. Crédito: Virginia Tech

Imagine um pequeno vea­culo auta´nomo que pudesse dirigir por terra, parar e se achatar em um quadrica³ptero. Os rotores comea§am a girar e o vea­culo voa para longe. Olhando mais de perto, o que vocêacha que veria? Que mecanismos fizeram com que ele se transformasse de um vea­culo terrestre em um quadrica³ptero voador? Vocaª pode imaginar engrenagens e correias, talvez uma sanãrie de minaºsculos servomotores que puxam todas as suas pea§as no lugar.

Se esse mecanismo fosse projetado por uma equipe da Virginia Tech liderada por Michael Bartlett, professor assistente de engenharia meca¢nica, vocêveria uma nova abordagem para a mudança de forma noníveldo material. Esses pesquisadores usam borracha, metal e temperatura para transformar materiais e fixa¡-los no lugar sem motores ou polias. O trabalho da equipe foi publicado na Science Robotics . Os coautores do artigo incluem os estudantes de pós-graduação Dohgyu Hwang e Edward J. Barron III e o pesquisador de pa³s-doutorado ABM Tahidul Haque.

Entrando em forma

A natureza érica em organismos que mudam de forma para desempenhar diferentes funções. O polvo se remodela dramaticamente para se mover, comer e interagir com seu ambiente; os humanos flexionam os maºsculos para suportar cargas e manter a forma; e as plantas se movem para capturar a luz do sol ao longo do dia. Como vocêcria um material que atinge essas funções para permitir novos tipos de robôs multifuncionais e metamorfoseados?

"Quando comea§amos o projeto, quera­amos um material que pudesse fazer três coisas: mudar de forma, manter essa forma e depois retornar a  configuração original, e fazer isso por muitos ciclos", disse Bartlett. "Um dos desafios foi criar um material macio o suficiente para mudar drasticamente de forma, mas ra­gido o suficiente para criar ma¡quinas adapta¡veis ​​que possam desempenhar diferentes funções."

Para criar uma estrutura que pudesse ser transformada, a equipe recorreu ao kirigami, a arte japonesa de fazer formas de papel cortando. (Esse manãtodo difere do origami, que usa dobras.) Ao observar a força desses padraµes de kirigami em borrachas e compósitos, a equipe conseguiu criar uma arquitetura material de um padrãogeomanãtrico repetido.

Em seguida, eles precisavam de um material que mantivesse a forma, mas permitisse que essa forma fosse apagada sob demanda. Aqui eles introduziram um endoesqueleto feito de uma liga de baixo ponto de fusão (LMPA) incorporada dentro de uma pele de borracha. Normalmente, quando um metal éesticado demais, o metal fica permanentemente dobrado, rachado ou esticado em uma forma fixa e inutiliza¡vel. No entanto, com esse metal especial embutido na borracha, os pesquisadores transformaram esse mecanismo de falha ta­pico em uma força. Quando esticado, este compa³sito agora mantanãm a forma desejada rapidamente, perfeito para materiais de transformação suave que podem se tornar instantaneamente suporte de carga.
 
Finalmente, o material teve que devolver a estrutura a  sua forma original. Aqui, a equipe incorporou aquecedores macios semelhantes a gavinhas ao lado da malha LMPA. Os aquecedores fazem com que o metal seja convertido em la­quido a 60 graus Celsius (140 graus Fahrenheit), ou 10 por cento da temperatura de fusão do aluma­nio. A pele de elasta´mero mantanãm o metal derretido contido e no lugar, e então puxa o material de volta para a forma original, revertendo o alongamento, dando ao compa³sito o que os pesquisadores chamam de “plasticidade reversa­vel”. Depois que o metal esfria, ele novamente contribui para manter a forma da estrutura.

Edward Barron, Michael Bartlett e Dohgyu Hwang seguram um pedaço de material
que foi deformado. Crédito: Alex Parrish para Virginia Tech.

"Esses compósitos tem um endoesqueleto de metal embutido em uma borracha com aquecedores macios, onde os cortes inspirados no kirigami definem uma sanãrie de vigas meta¡licas. retornar a  forma original", disse Hwang.

Os pesquisadores descobriram que esse design composto inspirado no kirigami pode criar formas complexas, de cilindros a bolas e a forma irregular do fundo de uma pimenta. A mudança de forma também pode ser alcana§ada rapidamente: após o impacto com uma bola, a forma mudou e foi fixada no lugar em menos de 1/10 de segundo. Além disso, se o material quebrasse, ele poderia ser curado várias vezes derretendo e reformando o endoesqueleto de metal.

Um drone para terra e ar, um para mar

As aplicações para esta tecnologia estãoapenas comea§ando a se desdobrar. Ao combinar esse material com energia, controle e motores a bordo, a equipe criou um drone funcional que se transforma de forma auta´noma de um vea­culo terrestre para aanãreo. A equipe também criou um pequeno submarino desdobra¡vel, usando a transformação e o retorno do material para recuperar objetos de um aqua¡rio raspando a barriga do submarino ao longo do fundo.

"Estamos entusiasmados com as oportunidades que este material apresenta para robôs multifuncionais. Esses compósitos são fortes o suficiente para suportar as forças de motores ou sistemas de propulsão, mas podem se transformar prontamente , o que permite que as ma¡quinas se adaptem ao ambiente", disse Barron.

Olhando para o futuro, os pesquisadores prevaªem que os compostos morphing desempenham um papel no campo emergente da roba³tica suave para criar ma¡quinas que podem executar diversas funções, autocura após serem danificadas para aumentar a resiliencia e estimular ideias diferentes em interfaces homem-ma¡quina e dispositivos vesta­veis. 

 

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